SUBORBITUM

Zajištění plynulého chodu palubního softwaru představuje komplexní výzvu. Při návrhu celkové architektury jsem musel vyřešit fundamentální problém: jak zajistit, aby procesor stíhal obsluhovat všechny připojené senzory a zároveň udržoval nepřerušenou rádiovou komunikaci. Detailně jsem proto analyzoval dva odlišné přístupy – tradiční sekvenční provádění kódu a využití operačního systému reálného času (FreeRTOS).

Ačkoliv by se mohlo zdát, že pro načítání dat ze senzorů postačí jednoduchá nekonečná smyčka while(1), já jsem ve svém projektu implementoval pokročilejší multi-tasking pod správou FreeRTOS. Sekvenční kód totiž funguje na principu absolutní linearity; procesor vykonává instrukce striktně jednu po druhé. Pokud jeden senzor, například SHT45, vyžaduje určitý čas na vnitřní převod naměřených hodnot, celý běh programu se zastaví a systém pasivně čeká. Pro mou aplikaci, kde bylo kriticky důležité kontinuálně odesílat a přijímat telemetrii přes modul HC-12, by toto blokování znamenalo neakceptovatelnou ztrátu dat a celkovou nestabilitu systému.

Rozhodl jsem se proto celý systém rozdělit do zcela nezávislých vláken (Tasků). Vytvořil jsem specifický Task, který má za úkol pouze pravidelně vyčítat hodnoty z environmentálních senzorů, a zcela oddělený Task, který je neustále připraven přijímat rádiové povely. (viz. článek: Rádiová komunikace s ESP) Operační systém FreeRTOS pak s mikrosekundovou přesností přepíná pozornost procesoru mezi těmito vlákny. Tím vzniká vysoce efektivní iluze paralelního zpracování, díky které žádná část systému neblokuje tu druhou. Celý sestavený kód s vytvořením nového vlákna pak může vypadat nějak takto:

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
// Toto je tělo Tasku pro čtení dat
void sensor_reading_task(void *pvParameters) {
    while(1) {
        printf("Čtu data ze senzorů...\n");
        
        // Místo zastavení celého čipu uspíme pouze tento Task na 1 sekundu
        // pdMS_TO_TICKS přepočítá milisekundy na systémové tiky
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}
void app_main(void) {
    // Zde vytvářím samotný Task
    xTaskCreate(
        sensor_reading_task,   // Název funkce, kterou chceme v novém Tasku spustit
        "SensorTask",          // Textový název pro ladění
        4096,                  // Velikost paměti (Stack size) v bajtech vyhrazené pro tento nový Task
        NULL,                  // Parametry předávané funkci
        5,                     // Priorita úkolu (čím vyšší číslo, tím důležitější)
        NULL                   // Handle (odkaz) na task, pokud ho nepotřebujeme, dáme NULL
    );
    printf("Hlavní program pokračuje, zatímco Task běží na pozadí.\n");
}

Sestavením kódu tímto způsobem zajistím, že bude hlavní smyčka sloužit pouze pro například výpisy a nebude blokovaná komunikací se senzory. Což také výrazně zrychlí chod celého systému protože například SHT45 potřebuje pár milisekund na přípravu dat.

Srovnání odezvy systému (Zkušební měření)

Slovníček pojmů:

• Sekvenční kód: Program, který čte a vykonává příkazy přesně v tom pořadí, v jakém jsou napsány, bez možnosti dělat více věcí najednou. Zastavení jednoho příkazu zastaví vše.
• Multi-tasking: Schopnost systému provádět (nebo zdánlivě provádět) více nezávislých úloh současně díky rychlému přepínání kontextu.
• FreeRTOS: Specializovaný operační systém pro mikrokontroléry, který precizně řídí, kdy a jak dlouho se bude jaká část kódu vykonávat.
• Task (Vlákno): Samostatná a izolovaná část programu, která běží nezávisle na ostatních částech pod dohledem operačního systému.
• Latence: Zpoždění mezi odesláním požadavku (např. dotaz na senzor) a skutečnou reakcí či dodáním dat.